1.2 雷電放電機制

1.2.1 閃電的形成與類型

1.2.1.1 閃電的產(chǎn)生

雷鳴閃電是大自然中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，然而很多人并不清楚它的產(chǎn)生原理和本質。事實上，閃電是云與云之間、云與地之間或者云體內各部位之間的強烈放電現(xiàn)象，這種放電一般發(fā)生在積雨云中。

1.2.1.2 閃電的類型

閃電一般有兩種分類方法。

1．按閃電發(fā)生的空間位置分類

（1）云內閃電：云團內不同極性荷電中心之間的放電過程。

（2）云際閃電：兩塊不同極性云團荷電中心之間的放電過程。

（3）晴空閃電：云團荷電中心與云團外大氣或不同極性荷電中心之間的放電過程。

（4）云地閃電：云團荷電中心與大地（地物）之間的放電過程，通常稱之為地閃。它與人類的關系最密切，是防雷研究的主要對象。

2．按閃電的形狀分類

（1）線狀閃電，如圖1-6所示。

（2）帶狀閃電，如圖1-7所示。

（3）片狀閃電。

（4）聯(lián)珠狀閃電，如圖1-8所示。

（5）球狀閃電。

1.2.2 地閃的類型及其特性

通常情況下，一半以上的閃電放電過程發(fā)生在云內主要正、負電荷區(qū)間，這種閃電稱為云內閃電，它與發(fā)生概率相對較低的云間閃電和云-空氣放電一起被稱作云閃。云地之間的對地放電則被稱為地閃。由于地閃對人類危害較大，與人類生活息息相關，所以對它的研究也較為深入。

1.2.2.1 地閃的分類

1．按先導方向劃分

（1）向下先導：由云向地面發(fā)展的先導；如果先導帶負電，稱向下負先導；如果先導帶正電，稱向下正先導。

（2）向上先導：由地面向云中發(fā)展的先導；如果先導帶負電，稱向上負先導；如果先導帶正電，稱向上正先導。

2．按閃電電流劃分

（1）正地閃：閃電電流為正（向下）的稱為正地閃；通常云底荷正電荷，地面為負電荷。

（2）負地閃：閃電電流為負（向上）的稱為負地閃；通常云底荷負電荷，地面為正電荷。

3．按照地閃先導傳播方向和地閃電流方向劃分

第一類地閃：具有向下先導和向上回擊，云中負荷電中心與大地和地物間的放電過程具有負閃電電流，簡稱為向下負先導負地閃，如圖1-9（a）所示。如果負先導不著地，則無回擊，此時只有云空放電。如果負先導著地，則產(chǎn)生回擊，將云中的部分電荷泄放到大地，如圖1-9（b）所示，若該過程只一次則為單閃擊閃電，若重復多次則為多閃擊閃電。

第二類地閃：具有向上正先導的云中負荷電中心與大地和地物間的放電過程，具有負閃電電流。它又分兩種情況：若先導帶正電向上，放電一般始于高聳的接地體（塔尖或山頂），具有向上正先導而無回擊，簡稱為向上正先導連續(xù)負放電，如圖1-9（c）所示；若先導帶正電向上和向下回擊，稱之為向上正先導負地閃，如圖1-9（d）所示，如果其后有隨后閃擊，稱之向上正先導多閃擊負地閃。

第三類地閃：云中電荷為正，具有向上負先導的云中正電荷中心與大地和地物間的放電過程，具有正閃電電流。若向上先導始于高聳的高層建筑的尖頂，這類地閃也有以有無回擊而細分為A型和B型。A型地閃具有向上先導和向下回擊的放電過程，簡稱向上負先導連續(xù)正放電，如圖1-9（g）所示。向上正地閃多為單閃擊地閃。B型地閃具有向上先導而無回擊的放電過程，只是在先導后出現(xiàn)持續(xù)時間約幾百毫秒，持續(xù)電流為幾百安的放電過程，簡稱為向上負先導正地閃，如圖1-9（h）所示。

第四類地閃：云中荷正電，為具有向下正先導和向上回擊，云中正電荷中心與大地和地物間放電過程具有正閃電電流，簡稱為向下正先導正地閃，如圖1-9（e）所示。若向下正先導不著地，于是產(chǎn)生云空放電過程。若向下正先導著地，引起向上正回擊，泄放云中的正電荷到大地，如圖1-9（f）所示，這一類在山地區(qū)少見，在湖邊可見到。

1.2.2.2 地閃放電全過程

地閃放電過程電荷活動如圖1-10所示。

1．梯式（級）先導

（1）閃電的初始擊穿：在圖1-9（a）～圖1-9（d）中，當積雨云的下部有一負電荷中心與其底部的正電荷中心附近局部地區(qū)的大氣場達到104V/cm左右時，該云霧大氣會初始擊穿負電荷中和正電荷，這時從云下部到云底部全部為負電荷區(qū)。

（2）梯式先導過程：隨大氣電場進一步加強，進入起始擊穿的后期，這時電子與空氣分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生輕度電離，從而形成負電荷向下發(fā)展的流光，表現(xiàn)為一條暗淡的光柱像梯級一樣逐級伸向地面，稱為梯式先導，如圖1-9（e）～圖1-9（f）所示，每一梯級的頂端發(fā)出較亮的光。由于大氣體電荷隨機分布，梯式先導在大氣中蜿蜒曲折地進行，并產(chǎn)生許多向下發(fā)展的分支。梯式先導的平均傳播速度為3.0×105cm/s左右，其變化范圍（1.0～26）×105cm/s，梯式先導由若干個單級先導組成，而單個梯級的傳播速度則快得多，一般為5×107cm/s，單個梯級的長度平均為50m左右，其變化范圍為30～120μm左右。梯式先導通道的直徑較大，變化范圍為1～10m。

（3）電離通道：梯式先導向下發(fā)展的過程是一電離過程，電離過程中生成成對的正、負離子，其中正離子被由云中向下輸送的負電荷不斷中和，從而形成一充滿負電（對負地閃）荷為主的通道，稱為電離通道或閃電通道，簡稱通道。閃電通道由主通道、失光通道和分叉通道組成。閃電放電過程中主通道起重要作用，電離通道結構如圖1-11所示。

（4）連接先導：當具有負電位的梯式先導到達地面附近，離地約5～50m時，可形成很強的地面大氣電場，使地面在正電荷向上運動，并產(chǎn)生從地面向上發(fā)展的正流光，這就是連接先導，連接先導大多發(fā)生于地面凸起物處。

2．回擊

當梯級先導與連接先導會合時，形成一股明亮的光柱，沿著梯式先導所形成的電離通道由地面高速沖向云中，稱為回擊。回擊比先導亮得多，傳播速度也比梯式先導快得多，平均為5×107cm/s，變化范圍為（2～20）×107cm/s?；負舻耐ǖ乐睆狡骄鶠閹桌迕?，其變化范圍為0.1～23cm。回擊具有較強的放電電流，峰值電流強度可達104A量級，因而發(fā)出耀眼亮光。地閃所中和的云中負電荷絕大部分在先導放電時貯存在先導主通道及其分支中，并在回擊傳播過程不斷被中和。由梯式先導到回擊這一完整的放電過程稱為第一閃擊。從地面向上發(fā)展起來的反向放電不僅具有電暈放電，還具有強的正流光，它與向下先導會合，其會合點稱為連接點，有時稱之為“連接先導”的向上流光，若其在向下先導到達放電距離同一瞬間開始發(fā)展，則連接先導高度約為放電距離的一半。

3．箭式（直竄或隨后）先導

緊接著第一閃擊之后，經(jīng)過約幾十毫秒的時間間隔，形成第二閃擊。這時又有一條平均長為50m的暗淡光柱沿著第一閃擊的路徑由云中直馳地面，這種流光稱箭式先導。箭式先導是沿著預先電離了的路徑通過的，它沒有梯式先導的梯級結構。箭式先導的傳播速度大于梯式先導的平均傳播速度，平均值為2×106cm/s，變化范圍為（1.0～21）×106cm/s，箭式通道直徑的變化范圍亦為1～10m。當箭式先導到達地面附近時，又產(chǎn)生向上發(fā)展的流光由地面與其會合，隨即產(chǎn)生向上回擊，以一股明亮的光柱沿著箭式先導的路徑由地面高速馳向云中。由箭式先導到回擊這一完整的放電過程稱為第二閃擊，第二閃擊的基本特征與第一閃擊是相同的，而以后各次閃擊的情況與第二閃擊的情況基本相同。

由一次閃擊構成的地閃稱為單閃擊地閃，由多次閃擊構成的地閃稱為多閃擊地閃，而第一閃擊后的各閃擊稱為隨后閃擊。通常一次地閃由2～4次閃擊構成，個別地閃的閃擊數(shù)可達26次之多。多閃擊地閃各閃擊間隙時間，在無連續(xù)電流的情況下平均為50ms左右，其變化范圍為3～380ms。一次地閃的持續(xù)時間平均為0.2s左右，其變化范圍為0.01～2s。

1.2.3 人工觸發(fā)閃電及閃電的形成機制

閃電是強對流風暴中的瞬態(tài)放電現(xiàn)象。自古以來，雷電所產(chǎn)生的劃破長空的炫目的閃光以及與之相伴隨的震人心魄的霹靂給人們留下了強烈的印象，因而成為近代科學最早研究的對象之一。目前人們對閃電形成機制的研究主要來自高壓實驗室內的人工模擬雷電實驗，與自然界閃電有所差異，故在對閃電形成機制學說的理解上，既要注意其局限性，又要注意相似性。

1.2.3.1 人工觸發(fā)閃電

1．人工觸發(fā)閃電技術

目前采用的人工引發(fā)雷電技術是在雷暴當頂且地面電場強度達到3kV/m時，發(fā)射拖帶直徑為0.2mm細金屬絲的小火箭。繞有金屬絲的線軸固定在火箭的尾翼上，火箭的飛行速度為100～200m/s，最大飛行高度約800m。金屬絲下端可以是接地的（地面觸發(fā)方式），也可以是不接地的（空中觸發(fā)方式）。在后一種情況下，火箭升空時首先從線軸放出的是幾十到幾百米長的尼龍線，然后才是與地絕緣的金屬導線，由于這種方式能模擬自然閃電的下行先導的接地行為，因而目前得到了較多的使用。當火箭上升到離地面幾百米高度時，環(huán)境電場強度為3～30kV/m。由于細金屬絲對電場的局部增強作用，在緊靠導線上、下端處的電場強度就會超過106V/m而發(fā)生電擊穿，并以電子雪崩的方式先后形成向上和向下傳輸?shù)南葘?。下行先導首先到達地面，形成類似于回擊的快速電荷中和過程（微回擊），然后上行先導進入云中，形成了云-地之間的電流通道。

2．人工觸發(fā)閃電的意義

人工觸發(fā)閃電是研究閃電和利用閃電的重要途徑之一。由于自然閃電在時間上和空間上的隨機性，給研究閃電帶來了一定的困難，而人工觸發(fā)閃電則可以彌補其不足。在觸發(fā)之前可以做好各種觀測和測試準備，因此，可以方便地對閃電的機制、閃電的物理化學過程等進行研究。通過人工觸發(fā)閃電還可研究閃電對人體、建筑物以及電器、電子設備等的破壞作用，以找到防雷擊的有效技術。人工觸發(fā)閃電在軍事上也有廣泛的用途，如在發(fā)射大火箭之前，先發(fā)射小火箭以觸發(fā)云中閃電，以便在帶電云中暫時打開一個安全通道，使大火箭、導彈等飛行器安全通過。同時，人工觸發(fā)閃電還可以作為核爆電磁脈沖信號的模擬信號源，以用于檢驗爆炸定位系統(tǒng)的工作情況，也可能作為人工影響雷電和防雹消雹的一種手段，對農(nóng)業(yè)減災方面有所貢獻。總之，人工觸發(fā)閃電作為可以控制的模擬自然雷電源，在雷電機理研究、雷電防護以及電力、通信、軍事及宇航等部門都有著廣泛的應用前景。

1.2.3.2 閃電的形成機制

1．關于先導機制的學說

閃電是大氣電場增強到一定程度后空氣的自持導電現(xiàn)象，因此可以引用實驗室條件下關于實驗氣體從被激導電轉化為自持導電的學說。絕緣的氣體在強電場作用下，當電場強度達到一定值時，初始的少量帶電粒子在電場力的作用下加速，當動能達到一定值時，可以通過碰撞作用把能量傳給氣體原子或分子并使之電離，產(chǎn)生更多的電子，新產(chǎn)生的電子被加速后再去碰撞，從而產(chǎn)生類似雪崩一樣的連鎖反應，這種現(xiàn)象稱為電子崩，最后絕緣氣體變成良導體，氣體被擊穿。實際上，根據(jù)H.Reather和K.W.Wagner先后利用云室照相拍得的氣體放電照片可以看出，導體通道中除了電子崩以外，還有擴展更快的“流光”，它們是被碰撞的原子、分子或離子發(fā)出的光子以及光子撞擊原子、分子而產(chǎn)生的二次電子及電子崩所組成的。這些流光才是造成氣體擊穿電離的主要因素，而閃電的先導正是靠流光開辟閃電通道的，光子的速度比電子大得多，所以先導推進的速度較快。

2．積雨云電擊穿機制

空氣的電擊穿所需要的電場強度約為3×104V/cm，而云中出現(xiàn)流光形成梯級先導時，實驗測得此時云中的電場強度還遠未達到此值。麥基（Macky）在1931年發(fā)現(xiàn)：在強電場的作用下，水滴極化并沿電場方向伸長，當電場強度超過臨界電場時，水滴就變得很不穩(wěn)定，開始電暈放電，水滴兩端發(fā)出流光。如果水滴半徑取0.1 cm，則臨界電場為1.2×104V/cm，如果水滴半徑取0.2cm，則臨界電場為0.87×104V/cm，這說明云中水滴在較低的場強下就產(chǎn)生流光了。實驗觀測表明，在積雨云出現(xiàn)下行先導之前，云內已先有流光發(fā)展，使云下端的次正電荷區(qū)與云中部的主負電荷區(qū)導通，積雨云的負電荷從中層發(fā)展到下層。

3．云地間的先導通道

在云下方與大地之間的大氣電場強度，從觀測值來看，幾乎未達到1×104V/cm，而梯級先導的流光向下方推進所需要的電場強度至少要達到3×104V/cm，即空氣的擊穿場強。由于云中先導已經(jīng)形成了高度電離的通道，云中電荷就會沿通道充滿先導的下端，在這尖端附近就產(chǎn)生電場強度很高的不均勻電場，其值遠遠大于3×104V/cm，它足以使附近的大氣擊穿導電，而且其作用力產(chǎn)生的電子遷移速度可達107cm/s，這正是梯級先導的傳播速度。先導通道的電阻非常小，故先導下端與積雨云中負電荷區(qū)中心處的電位幾乎相等，先導的下端很容易發(fā)出流光，迅速推進先導一級一級地躍進。

4．其他地閃的先導

下行負地閃雖然占地閃的70%～90%，但是近幾年上行閃電也越來越受到人們的重視。因為先導是從地面發(fā)展的，可以瞬間提供足夠的自由電荷，所以一般來說，上行雷沒有回擊。當上行先導只伸展到云中負電荷區(qū)，不出現(xiàn)回擊，這是上行負地閃；當此先導伸展到云頂深處，與正電荷導通，范圍很高，先導通道頂端與地面的電位差非常大，引起的回擊特別強烈，此時為上行正地閃。